JP5621318B2 - Semiconductor laser module and fiber laser using the same - Google Patents
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Description
本発明の半導体レーザモジュールおよびファイバレーザは金属材料あるいは樹脂材料などの熱加工(例えば溶接、切断など)を行うレーザ加工装置に組み込んで用いるものであり、本発明は複数個の半導体レーザアレイを高効率かつ高輝度にファイバカップリングした半導体レーザモジュールと前記半導体レーザモジュールを励起源としたファイバレーザに関するものである。 The semiconductor laser module and the fiber laser of the present invention are used by being incorporated into a laser processing apparatus that performs thermal processing (for example, welding, cutting, etc.) of a metal material or a resin material. The present invention relates to a semiconductor laser module that is fiber-coupled efficiently and with high brightness, and a fiber laser that uses the semiconductor laser module as an excitation source.
近年、半導体レーザを光源、または励起源としたレーザ加工装置が、溶接、溶着、切断、改質など種々の材料加工に広く用いられている。 In recent years, laser processing apparatuses using a semiconductor laser as a light source or excitation source have been widely used for various material processing such as welding, welding, cutting, and modification.
その中でもファイバレーザはその特徴として高品質のビームを有しているが、昨今の技術の進展によりシングルモードまたはそれに近い低次のマルチモードという高品質のビームを保持した上で、数KWという非常に大きなレーザ出力まで発振可能となった。その結果、材料加工分野への積極的な普及が図られている。 Among them, the fiber laser has a high-quality beam as its feature. However, with the recent progress in technology, a high-quality beam of a single mode or a low-order multimode close to it is maintained, and a very high number of kW It is possible to oscillate even a large laser output. As a result, active spread to the material processing field has been achieved.
このようなファイバレーザの大出力化には、ダブルクラッドファイバの採用を背景とした光ファイバ技術の進歩が大きく寄与している。ダブルクラッドファイバを用いたファイバレーザの典型的な励起方法を図8に示す。 Advances in optical fiber technology against the background of the adoption of double-clad fibers greatly contribute to the increase in output of such fiber lasers. A typical pumping method of a fiber laser using a double clad fiber is shown in FIG.
ダブルクラッドファイバ22はコア23と、コア部の外周を取り囲むインナークラッド24と、インナークラッド24を取り囲むアウタークラッド25から構成されている。信号光はコア23をシングルモードまたは低次のマルチモードで伝搬し、励起光はコア23を含み、インナークラッド24の領域を伝搬する。インナークラッド24を伝搬する励起光のうち、コア23部分を通過する励起光はコア23に希土類元素が添加されていれば、これを励起し、光結合することによりコア23を伝搬する信号光を増幅する。
The double
ダブルクラッドファイバ22への励起光の注入は光ファイバカプラを融着接続する方法が良く用いられる。光ファイバカプラ15は、信号光が伝搬する信号光ファイバと励起光が伝搬するマルチモードファイバが密にバンドルされたファイババンドル部16と、ダブルクラッドファイバ22と、ダブルクラッドファイバのインナークラッドと同程度の直径まで前記ファイババンドル部16を溶融一体化するとともにテーパ状に加熱延伸し、ダブルクラッドファイバ22へ光結合された融着部17から構成される。
A method of fusion-connecting optical fiber couplers is often used for injecting excitation light into the double
ファイババンドル部断面図18はファイババンドル部16における断面の構成を示している。ファイババンドル部16は信号光が伝搬するコアを有した信号光ファイバ20を中心として、その周囲に励起光が伝搬するマルチモードファイバ19が同心円状に配置され、互いに密着したファイババンドルを形成している。
FIG. 18 is a cross-sectional view of the
融着部断面21aおよび融着部断面21bは、融着部17の近傍においてテーパ化されたファイババンドル断面の構成を示している。テーパ状に加熱延伸する際の、温度あるいは延伸の時間、速度など延伸条件によって、融着部断面の形態は、融着部断面21aのようなファイババンドル部16とほぼ相似の形態から、融着部断面21bのような表面張力の作用により円状に一体化がすすんだ形態まで様々である。
The fused part cross section 21 a and the fused
いずれにせよファイババンドル部16は、その外径がダブルクラッドファイバ22のインナークラッド24の直径とほぼ同じになるよう延伸され、複数のマルチモードファイバ19からダブルクラッドファイバ22のインナークラッド24へ励起光が正しく伝搬されるべく、さらに信号光ファイバ20のコアからダブルクラッドファイバ22のコア23へ(またはその逆へ)信号光が正しく伝搬されるべくダブルクラッドファイバ22と融着接続され、光結合されている。
In any case, the
上記の構成、動作を行うファイバレーザとして、例えば特許文献1などが提案されている。このようにダブルクラッドにすることによって大きな励起光を注入することが可能となり、結果、大きな増幅を行うことが可能となった。現在ではこのような構成を組み合わせたファイバレーザの登場により、数KWという非常に大きなレーザ出力が可能となっている。
For example,
マルチモードファイバ19へは、励起光源となる半導体レーザと各種の光学素子を組み合わせて半導体レーザからのビームが光結合される。すなわちファイバレーザの大出力化は、いかにマルチモードファイバ19へ高輝度、高密度に励起光をカップリングするかが重要である。上記、励起光の高輝度、高密度化のため、より高輝度なビームを出力する半導体レーザ自身の開発はもとより、光学素子を用いて半導体レーザからの出力ビームを成形、集光する技術開発も積極的に行われている。
A beam from the semiconductor laser is optically coupled to the
また、レーザ加工の用途、範囲拡大のためには装置コストの低減化も必要である。レーザ加工装置を構成する様々な部材・材料コストの中で、半導体レーザが占める割合は非常に大きい。レーザの装置コストあるいは部材コストの評価指標として、単位レーザ出力当たりの価格が良く用いられる。 In addition, in order to expand the application and range of laser processing, it is necessary to reduce the apparatus cost. The ratio of the semiconductor laser to the cost of various members and materials constituting the laser processing apparatus is very large. A price per unit laser output is often used as an evaluation index of laser device cost or member cost.
上記、半導体レーザの高輝度化は、使用する半導体レーザの個数を少なくすることができ、それに伴う光学素子など部材点数の削減も相まって、単位レーザ出力当たりの装置価格を低減させるものである。 The above-described increase in the brightness of the semiconductor laser can reduce the number of semiconductor lasers to be used, and the accompanying reduction in the number of members such as optical elements, thereby reducing the device price per unit laser output.
その他、半導体レーザアレイの採用もレーザ装置価格を低減させる手段として良く用いられている。半導体レーザアレイの模式図を図5に示す。最も多く採用されている半導体レーザアレイの形状は、ブロードストライプ半導体レーザをモノリシックに一次元アレイ化したもので、LDバー(半導体レーザ・バー)と呼ばれることもある。半導体レーザアレイの幅は通常10mm程度のものが広く用いられている。半導体レーザアレイ2は発光エミッタ9を複数個有し、発光エミッタが1つのシングルエミッタの半導体レーザと比べて、半導体レーザ1個あたりの生産コスト差は小さく、単位レーザ出力当たりのコストを低く抑えることができる。
In addition, the use of a semiconductor laser array is often used as a means for reducing the price of a laser device. A schematic diagram of the semiconductor laser array is shown in FIG. The shape of the semiconductor laser array that is most often employed is a monolithic one-dimensional array of broad stripe semiconductor lasers, sometimes called an LD bar (semiconductor laser bar). The width of the semiconductor laser array is generally about 10 mm. The
図6は1つの発光エミッタから照射されるレーザ光の拡がり方を示す説明図である。発光エミッタ9より出力されるレーザ光はその厚み方向(ファーストアクシス)と幅方向(スローアクシス)に異なった拡がり角を持ち、図6に示すようにそのプロファイルは楕円形となる。一般にファーストアクシスのレーザ光はシングルモードに近く、その拡がり角10はスローアクシスの拡がり角11に比し大きいが、BPP(Beam Parameter Product)は小さく、ビーム品質は良い。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing how the laser light emitted from one light emitting emitter is spread. The laser light output from the
半導体レーザアレイと光学素子を用いビーム成形、集光を行う方法として、例えば特許文献2、または特許文献3などが提案されている。
For example,
特許文献2は半導体レーザアレイと光ファイバをカップリングする方法として最もシンプルなものである。半導体レーザアレイから照射されるビームは光学レンズ(例えばロッドレンズ)によってファーストアクシスのみコリメートされる。
前記、光学レンズの直後には、半導体レーザアレイの発光点の数および間隔にあわせてガラス基板上に光ファイバを配列した光ファイバアレイと呼ばれる光学素子が配置され、半導体レーザアレイからの照射ビームは光ファイバへカップリングされる。光ファイバはコア径が100マイクロメータ前後のマルチモードファイバ、光学レンズは光ファイバと同程度の非常に細いレンズが用いられ、半導体レーザアレイ、光学レンズ、光ファイバアレイの三者は数十マイクロメータ程度の近接した状態でアライメントされる。 Immediately after the optical lens, an optical element called an optical fiber array in which optical fibers are arranged on a glass substrate in accordance with the number and interval of light emitting points of the semiconductor laser array is arranged, and an irradiation beam from the semiconductor laser array is Coupled to optical fiber. The optical fiber is a multimode fiber with a core diameter of around 100 micrometers, and the optical lens is a very thin lens similar to an optical fiber. The semiconductor laser array, optical lens, and optical fiber array are several tens of micrometers. Alignment is performed in a state of close proximity.
特許文献2に限らず、このような構成によるファイバカップリングの方法は従来から用いられており、半導体レーザアレイからの照射ビームを高効率で光ファイバへカップリングすることができる。
Not only
特許文献3はステップ上に配されたミラーとテレスコープを用い、ビームを回転させることによってビーム成形を行い、複数エミッタからのビームを高品質に、一つのビームに集光、またはファイバカップリング可能となる光学素子を提案している。
また、ファーストアクシスに加えスローアクシスもコリメートすることを利用すれば、コリメート後の光路長を長くでき、波長加算あるいは偏波加算などの手法を用いることもできる。これにより、複数個の半導体レーザからの出力を加算し、さらなる高輝度化も可能となる。このように特許文献3によれば、先に述べたマルチモードファイバへ高輝度、高密度に励起光のカップリングが可能であり、市場の要望するファイバレーザの高出力化が実現できる。
Further, if the collimation of the slow axis in addition to the first axis is used, the optical path length after the collimation can be increased, and a method such as wavelength addition or polarization addition can be used. As a result, outputs from a plurality of semiconductor lasers can be added to further increase the brightness. As described above, according to
特許文献2に代表される半導体レーザモジュールは構成がシンプルである分、光学素子を含む部品点数も少なく材料コストを抑えることができる。しかしながらその構成上、マルチモードファイバ一本に対してカップリングされる半導体レーザの発光点は一つに限られ、大きな励起光の高輝度、高密度化は望めない。
Since the semiconductor laser module represented by
本モジュールを用いて高出力のファイバレーザを構成するためには、図8に示したファイバレーザを複数段にカスケード接続し、発振したレーザ光を次々に増幅する必要がある。これは高出力化の要求の程度に応じて、ファイバレーザの作用長が長くなっていくことを意味する。作用長の長いファイバレーザは必然的にファイバ同士の融着箇所が増え、融着損失と融着部の発熱を増大させる。 In order to construct a high-power fiber laser using this module, it is necessary to cascade the fiber lasers shown in FIG. 8 in a plurality of stages and amplify the oscillated laser beams one after another. This means that the working length of the fiber laser becomes longer depending on the degree of demand for higher output. A fiber laser with a long working length inevitably increases the number of fusion points between the fibers, which increases fusion loss and heat generation at the fusion part.
また、寄生発振などレーザ発振が不安定になりやすく、光サージの発生による励起半導体レーザの破壊など重大な故障を引き起こす可能性がある。 Further, laser oscillation such as parasitic oscillation is likely to become unstable, which may cause a serious failure such as destruction of the pumping semiconductor laser due to the occurrence of an optical surge.
一方、特許文献3の半導体レーザモジュールは前述の通り、高輝度、高密度にマルチモードファイバへ励起光をカップリングすることができるため、作用長の短いファイバで大出力のファイバレーザを構成することができる。しかしながら、本モジュールに使用されるステップミラーは非常に高価であり、半導体レーザアレイの採用によるレーザ装置コスト抑制の効果が薄れてしまう。また、ファイバカップリングを行うためには種々の光学素子を適正にアライメントするとともに、それらを接着固定する高度な技術が要求される。光学素子の部品点数が比較的多いことも相まって、半導体レーザモジュールの長期信頼性の確保にはさらなる技術、ノウハウが必要である。
On the other hand, as described above, the semiconductor laser module of
本発明は、低コストかつ高輝度にファイバカップリングされた半導体レーザモジュールを提供することを目的とし、特にファイバレーザの大出力化の励起源として効果を奏するものである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor laser module that is fiber-coupled at low cost and high brightness, and is particularly effective as an excitation source for increasing the output of a fiber laser.
上記課題を解決するために、本発明の半導体レーザモジュールは、第1のヒートシンクに実装され、第1の方向にレーザを照射し第1の方向とは垂直なスローアクシス方向に互いに並んだ少なくとも2つの第1の発光エミッタを有する第1の半導体レーザアレイと、第2のヒートシンクに実装され、第1の方向にレーザを照射しスローアクシス方向に互いに並んだ少なくとも2つの第2の発光エミッタを有する第2の半導体レーザアレイとを有する。さらに、第1の半導体レーザアレイからレーザが照射される方向に配置され、第1の方向及びスローアクシス方向に対して垂直なファーストアクシス方向に広がるレーザをコリメートする第1のファーストアクシスコリメートレンズと、第1のファーストアクシスコリメートレンズからレーザが照射される方向に配置され、スローアクシス方向に広がるレーザをコリメートする第1のスローアクシスコリメートレンズとを有する。さらに、第2の半導体レーザアレイからレーザが照射される方向に配置され、ファーストアクシス方向に広がるレーザをコリメートする第2のファーストアクシスコリメートレンズと、第2のファーストアクシスコリメートレンズからレーザが照射される方向に配置され、スローアクシス方向に広がるレーザをコリメートする第2のスローアクシスコリメートレンズとを有する。さらに、第1のスローアクシスコリメートレンズおよび第2のスローアクシスコリメートレンズからレーザが照射される方向に配置され、ファーストアクシス方向においてレーザを集光するファーストアクシス集光レンズと、ファーストアクシス集光レンズからレーザが照射される方向に位置し、スローアクシス方向においてレーザを集光する
スローアクシス集光レンズとを有する。さらに、少なくとも2つの第1の発光エミッタのうちの一方および少なくとも2つの第2の発光エミッタのうちの一方から照射されたレーザが入射される光ファイバ、および、2つの第1の発光エミッタのうちの他方および2つの前記第2の発光エミッタのうちの他方から照射されたレーザが入射される光ファイバの、少なくとも2つの光ファイバを有する光ファイバアレイを有する。そして、第2のヒートシンクは、第1のヒートシンクに対して、第1のヒートシンクと第1の半導体レーザアレイとのファーストアクシス方向の厚みの和よりも小さいピッチでファーストアクシス方向に位置し、第2のヒートシンクは、第1のヒートシンクの第1の方向の長さよりも大きいピッチで、レーザ照射方向とは反対側に位置している。
In order to solve the above problems, a semiconductor laser module of the present invention is mounted on a first heat sink, irradiated with a laser in a first direction, and aligned with each other in a slow axis direction perpendicular to the first direction. A first semiconductor laser array having two first light emitting emitters, and at least two second light emitting emitters mounted on a second heat sink and irradiated with a laser in a first direction and aligned with each other in a slow axis direction And a second semiconductor laser array. A first fast aximate lens arranged in a direction in which the laser is emitted from the first semiconductor laser array and collimating a laser extending in a first axis direction perpendicular to the first direction and the slow axis direction; And a first slow-axis trimming lens arranged in a direction in which the laser is irradiated from the first fast-axis trimming lens and collimating the laser spreading in the slow-axis direction. Further, the second semiconductor laser array is arranged in the direction in which the laser is irradiated and collimates the laser spreading in the first axis direction, and the laser is irradiated from the second first axis laser lens. They are arranged in a direction, and a second slow axis collimating lens for collimating the laser spreading in the slow axis direction. Furthermore, a first axis condensing lens that is arranged in a direction in which the laser is irradiated from the first slow axis trimming lens and the second slow axis trimming lens and condenses the laser in the first axis direction, and a first axis condensing lens It is located in the direction of laser irradiation and focuses the laser in the slow axis direction.
And a slow axis condenser lens. Furthermore, one and the at least two second optical fibers Les chromatography The emitted from one of the radiation emitter is incident of the at least two first light emitter, and the two first light emitter of the other and two of said second optical fiber and the other laser emitted from one of the radiation emitter is incident of having an optical fiber array having at least two optical fibers. The second heat sink is located in the first axis direction at a pitch smaller than the sum of the thicknesses of the first heat sink and the first semiconductor laser array in the first axis direction with respect to the first heat sink. These heat sinks are positioned on the side opposite to the laser irradiation direction at a pitch larger than the length of the first heat sink in the first direction.
そして、この構成により複数個の半導体レーザアレイのビームを、半導体レーザアレイの発光エミッタ数と同数の光ファイバへ光結合することとなる。 With this configuration, the beams of the plurality of semiconductor laser arrays are optically coupled to the same number of optical fibers as the number of light emitting emitters of the semiconductor laser array.
以上のように、本発明は、複数個の半導体レーザアレイを階段状に配置し、コリメートされたビームの内、ファースト方向のみを集光し光ファイバアレイに光結合することにより、低コストでありながら高輝度の半導体レーザモジュールを提供することができ、特にファイバレーザの励起源として効果を発揮するものである。 As described above, the present invention is low in cost by arranging a plurality of semiconductor laser arrays in a stepped manner, condensing only the first direction among the collimated beams, and optically coupling them to the optical fiber array. However, a semiconductor laser module with high brightness can be provided, and in particular, it is effective as a fiber laser excitation source.
(実施の形態1)
図1および図2は本発明の半導体レーザモジュールの構成の一例を示すもので、図1は側面図、図2は上方視の平面図である。
(Embodiment 1)
1 and 2 show an example of the configuration of the semiconductor laser module of the present invention. FIG. 1 is a side view and FIG. 2 is a plan view as viewed from above.
半導体レーザモジュール1は以下に示す光学部品より構成される。図1および図2において、半導体レーザアレイ2は一定間隔で並んだ複数個の発光エミッタを有し、それぞれのエミッタからレーザ光を発振する、コリメートレンズ3は半導体レーザアレイ2から照射されたレーザ光のうち、ファーストアクシスをコリメートする、コリメートレンズ4は半導体レーザアレイ2から照射されたレーザ光のうち、スローアクシスをコリメートする、集光レンズ5はコリメートされたレーザ光のうちファーストアクシスのみまとめて集光する、光ファイバアレイ6は1個の半導体レーザアレイの発光エミッタ数と同数、かつ発光エミッタ間隔と同間隔でマルチモードファイバを基板上に一列に配列したもので、集光されたレーザ光と光結合する光学部品を示す。
The
以上のように構成された半導体レーザモジュールについて、その動作を説明する。図5は図1および図2の半導体レーザアレイ2の拡大図である。既に説明したとおり、半導体レーザアレイは複数の発光エミッタ9が一定間隔で横並びに配されたものである。
The operation of the semiconductor laser module configured as described above will be described. FIG. 5 is an enlarged view of the
本実施の形態1においては図5に示すように、特にエミッタ数が6個の半導体レーザアレイ2を用いた場合について説明する。半導体レーザアレイ2の発光エミッタ9からは、図6に示すようにファーストアクシス10とスローアクシス11それぞれにある拡がり角をもったレーザ光が照射される。
In the first embodiment, as shown in FIG. 5, a case where a
コリメートレンズ3とコリメートレンズ4は半導体レーザアレイ2の直後にアライメントされ、まず、コリメートレンズ3を用いて半導体レーザアレイから照射されるレーザ光のファーストアクシスを、つづいてコリメートレンズ4を用いてスローアクシスを順次コリメートする。本例においては発光エミッタ数が6個であるので、コリメートレンズ4から6本のコリメートされたほぼ平行なビームが照射されることになる。
The
つづいて、半導体レーザアレイ2とコリメートレンズ3およびコリメートレンズ4を一組として、同じ構成の組を複数個、階段状に配置する。本実施の形態1においては半導体レーザアレイ2が3個の場合について説明する。具体的には図2の上面図に示すように、3個の半導体レーザアレイからの6本のビームが、上面から見て光軸が一致するように半導体レーザアレイは縦並びに配置されている。そして図1の側面図に示すように、縦並びの3個の半導体レーザアレイ2は階段状に高さを変えて配置されている。
Subsequently, the
このように階段状に半導体レーザアレイ2を配置する理由は、前方の半導体レーザアレイに照射ビームが干渉しない範囲で、できるだけ各々の半導体レーザアレイからの照射ビームの間隔を小さくするためである。半導体レーザチップは通常、冷却のためのヒートシンクにはんだ付けなどで実装されており、縦に積み重ねる(スタック)だけではヒートシンクなどの厚み分だけ、ビームのピッチが大きくなってしまう。
The reason for arranging the
図1に示すように階段状に配置することで各半導体レーザアレイからのビームのピッチを小さくすることができ、後述するように集光後のビーム品質を大きく改善することができる。このように本例においては、3個の半導体レーザアレイから照射される18本のコリメートされたビームは、上方から見て6本、側面からは3本の配列となっている。 As shown in FIG. 1, the pitch of the beams from each semiconductor laser array can be reduced by arranging them stepwise, and the beam quality after focusing can be greatly improved as will be described later. Thus, in this example, 18 collimated beams emitted from the three semiconductor laser arrays are arranged in an array of 6 when viewed from above and 3 from the side.
半導体レーザアレイ2から照射されたレーザ光はコリメートレンズ3およびコリメートレンズ4によってコリメートされ、そのビームは集光レンズ5によってファーストアクシスのビームのみ集光される。
The laser light emitted from the
図1の側面図に示したファーストアクシスの3本のビームは、集光レンズ5を用いて1点に集光され、図2の上面図に示したスローアクシスの6本のビームはそのまま素通りとなり、集光点においては半導体レーザアレイの発光エミッタの数と間隔に一致した6本のビームとなる。この集光点のビーム拡がり角とスポット径に適合した、受光角とコア径を有したマルチモードファイバをアライメントすれば、ファイバカップリングできることになる。
The three fast-axis beams shown in the side view of FIG. 1 are condensed at one point using the
図7は図1および図2における光ファイバアレイの拡大図である。光ファイバアレイはガラス基板14上に所望の本数と間隔でV溝を形成し、そこへ光ファイバ13を整列させ接着固定したものである。
FIG. 7 is an enlarged view of the optical fiber array in FIGS. 1 and 2. In the optical fiber array, V-grooves are formed on the
前述の通り、集光レンズ5のあとのビームはその集光点において、半導体レーザアレイ2の発光エミッタ間隔に一致した、6本のビームとなる。その集光点へ半導体レーザアレイ2の発光エミッタ間隔と同じで、6本のマルチモードファイバからなる光ファイバアレイ6をアライメントすれば、それぞれの光ファイバへ光結合できることになる。
As described above, the beam after the
集光レンズ5の後、ファーストアクシスに適合した光ファイバアレイのマルチモードファイバの諸元(BPP)は次式で表される。
After the
先に説明した、半導体レーザアレイを階段状に配置するのはフィルファクターfをできるだけ大きくするためで、結果、集光後のファーストアクシスのBPPをより小さくすることができる。 The reason why the semiconductor laser arrays are arranged stepwise as described above is to make the fill factor f as large as possible, and as a result, the first-axis BPP after light collection can be made smaller.
本実施の形態では、半導体レーザアレイが3個で、半導体レーザアレイそれぞれに発光エミッタ数が6個である場合を説明したが、本発明はこの範囲に限定されるものではない。 In the present embodiment, the case where the number of semiconductor laser arrays is three and the number of light emitting emitters is six for each semiconductor laser array has been described. However, the present invention is not limited to this range.
半導体レーザアレイの発光エミッタ数は、そのまま光ファイバアレイで使用されるマルチモードファイバの本数を規定することになる。しかしながら、半導体レーザアレイの個数は上式のファーストアクシスのビーム数Nに一致し、上式の関係を満たせば、種々の値を取り得ることは明らかである。すなわち、本例以外に多数の変形例が存在することになるが、いずれも本発明の動作に基づくものである。 The number of light emitting emitters of the semiconductor laser array directly defines the number of multimode fibers used in the optical fiber array. However, the number of semiconductor laser arrays matches the number N of first-axis beams in the above equation, and it is apparent that various values can be taken as long as the relationship in the above equation is satisfied. In other words, there are many variations other than the present example, all of which are based on the operation of the present invention.
以上のように本発明によれば、特別な光学素子を用いることなく低コストで、高輝度にファイバカップリングされた半導体レーザモジュールを提供することができるものである。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser module that is fiber-coupled with high luminance at low cost without using a special optical element.
(実施の形態2)
本発明の半導体レーザモジュールについて上述の実施の形態とは異なる一例を詳細に説明する。本実施の形態において実施の形態1と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
An example of the semiconductor laser module of the present invention that is different from the above-described embodiment will be described in detail. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図3および図4は本発明の半導体レーザモジュールの構成の一例を示すもので、半導体レーザアレイ2で照射されたレーザ光が、集光レンズ5で集光されるまでの一連の動作は実施の形態1で説明したものと同じである。
3 and 4 show an example of the configuration of the semiconductor laser module according to the present invention. A series of operations until the laser light irradiated by the
半導体レーザモジュール7は集光レンズ5による集光後のそれぞれのビームに対して、スローアクシスを集光する集光レンズ8が追加されている。光ファイバアレイ6で用いられるマルチモードファイバのコア径はスローアクシスのビームスポット径に依存している場合が多く、集光レンズ8を用いることにより。光ファイバアレイのマルチモードファイバのコア径を小さくすることができる。
In the semiconductor laser module 7, a condensing
両者では光ファイバアレイへ結合される直前でのビーム品質が異なり、モジュールAではコア径400μm、モジュールBではコア径105μmのマルチモードファイバを光ファイバアレイへそれぞれ適用した。 In both cases, the beam quality immediately before being coupled to the optical fiber array is different, and a multimode fiber having a core diameter of 400 μm is applied to the module A and a core diameter of 105 μm is applied to the optical fiber array.
なお、モジュールAにおいてはコア径400μmをコア径105μmへ減少させるテーパファイバを融着接続し、コア径105μmのマルチモードファイバをモジュールの出力ファイバとしている。両者モジュールとも出力されるビームのパワーと品質がほぼ同じであり、モジュールAで使用したテーパファイバはモジュールBの集光レンズ8と同じ光学的な機能を有しているためである。
In the module A, a taper fiber that reduces the core diameter from 400 μm to the core diameter of 105 μm is fusion-spliced, and a multimode fiber having a core diameter of 105 μm is used as the output fiber of the module. This is because the power and quality of the beams output by both modules are substantially the same, and the tapered fiber used in module A has the same optical function as the
(実施の形態3)
本発明のファイバレーザに係る実施の形態の一例について、既に説明した図8を用いて詳細に説明する。
(Embodiment 3)
An example of an embodiment according to the fiber laser of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
信号光ファイバ20の周囲にマルチモードファイバを同心円状に配した光ファイバカプラ15へ、上述の実施の形態1または実施の形態2で説明した半導体レーザモジュールを融着接続することで、希土類元素が添加されたダブルクラッドファイバ22を励起し、レーザ発振させるものである。
By bonding the semiconductor laser module described in the first embodiment or the second embodiment to the
図8に示した光ファイバカプラは励起光の注入を行うマルチモードファイバが6本であり、これは実施の形態1または実施の形態2での実施例で示した半導体レーザモジュールからの出力ファイバ数6本に一致する。すなわち、半導体レーザモジュールの出力ファイバと、光ファイバカプラのマルチモードファイバをそれぞれ融着接続すればよいことになる。
The optical fiber coupler shown in FIG. 8 has six multimode fibers for injecting pumping light. This is the number of output fibers from the semiconductor laser module shown in the example of the first embodiment or the second embodiment.
本例に限らず、所望の励起光の注入ポート数に合わせて、半導体レーザアレイの発光エミッタ数を選択すればよい。本発明によれば、光ファイバカプラの励起注入に用いられるマルチモードファイバに対し、複数発光エミッタ分の励起光注入が可能となり、ファイバレーザの効率的な励起とファイバレーザの作用長の短尺化が低コストで実現できる。 The number of light emitting emitters of the semiconductor laser array may be selected according to the desired number of pumping light injection ports. According to the present invention, it is possible to inject pump light for a plurality of light emitting emitters into a multimode fiber used for pumping injection of an optical fiber coupler. Realized at low cost.
なお、本発明の半導体レーザモジュールは光ファイバコンバイナとの融着接続も可能である。光ファイバコンバイナとは複数のマルチモードファイバをバンドル後、融着延伸しマルチモードファイバと融着接続したもので、複数のレーザパワーを一本のマルチモードファイバへ合算するときに用いられる。この光ファイバコンバイナを用いれば、半導体レーザアレイの光出力を一本のマルチモードファイバへ集中させることができ、ファイバレーザへの高輝度励起の他、集光レンズを組み合わせてダイレクト加工を行う熱源としても使用可能である。 The semiconductor laser module of the present invention can be fusion-bonded with an optical fiber combiner. An optical fiber combiner is obtained by bundling a plurality of multimode fibers and then fusing and stretching them to form a fusion connection with the multimode fiber, and is used when adding a plurality of laser powers to a single multimode fiber. If this optical fiber combiner is used, the optical output of the semiconductor laser array can be concentrated on a single multimode fiber. In addition to high-intensity excitation to the fiber laser, it can be used as a heat source for direct processing in combination with a condenser lens. Can also be used.
本発明の半導体レーザモジュールは、複数個の半導体レーザアレイを低コストかつ高輝度にファイバカップリングすることができ、特にこれを励起源としたファイバレーザは金属材料あるいは樹脂材料などの熱加工(例えば溶接、切断など)を行うレーザ加工装置用として有用である。 The semiconductor laser module of the present invention is capable of fiber coupling a plurality of semiconductor laser arrays at low cost and high brightness. In particular, a fiber laser using this as a pumping source is thermally processed (for example, a metal material or a resin material) This is useful for a laser processing apparatus that performs welding, cutting, and the like.
1 実施の形態1に係る半導体レーザモジュール
2 半導体レーザアレイ
3 コリメートレンズ(ファーストアクシス)
4 コリメートレンズ(スローアクシス)
5 集光レンズ(ファーストアクシス)
6 光ファイバアレイ
7 実施の形態2に係る半導体レーザモジュール
8 集光レンズ(スローアクシス)
9 発光エミッタ
10 ファーストアクシスの拡がり角
11 スローアクシスの拡がり角
12 光ファイバアレイ
13 マルチモードファイバ
14 光ファイバアレイのV溝基板
15 光ファイバカプラ
16 ファイババンドル束
17 融着部
18 ファイババンドル部の断面図
19 マルチモードファイバ
20 信号光ファイバ
21 融着部の断面図
22 ダブルクラッドファイバ
23 コア
24 インナークラッド
25 アウタークラッド
1 Semiconductor laser module according to
4 Collimating lens (slow axis)
5 Condenser lens (first axis)
6 Optical fiber array 7 Semiconductor laser module according to
DESCRIPTION OF
Claims (4)
第2のヒートシンクに実装され、前記第1の方向にレーザを照射し前記スローアクシス方向に互いに並んだ少なくとも2つの第2の発光エミッタを有する第2の半導体レーザアレイと、
前記第1の半導体レーザアレイからレーザが照射される方向に配置され、前記第1の方向及び前記スローアクシス方向に対して垂直なファーストアクシス方向に広がるレーザをコリメートする第1のファーストアクシスコリメートレンズと、
前記第1のファーストアクシスコリメートレンズからレーザが照射される方向に配置され、前記スローアクシス方向に広がるレーザをコリメートする第1のスローアクシスコリメートレンズと、
前記第2の半導体レーザアレイからレーザが照射される方向に配置され、前記ファーストアクシス方向に広がるレーザをコリメートする第2のファーストアクシスコリメートレンズと、
前記第2のファーストアクシスコリメートレンズからレーザが照射される方向に配置され、前記スローアクシス方向に広がるレーザをコリメートする第2のスローアクシスコリメートレンズと、
前記第1のスローアクシスコリメートレンズおよび前記第2のスローアクシスコリメートレンズからレーザが照射される方向に配置され、前記ファーストアクシス方向においてレーザを集光するファーストアクシス集光レンズと、
前記ファーストアクシス集光レンズからレーザが照射される方向に位置し、前記スローアクシス方向においてレーザを集光するスローアクシス集光レンズと、
2つの前記第1の発光エミッタのうちの一方および2つの前記第2の発光エミッタのうちの一方から照射されたレーザが入射される光ファイバ、および、2つの前記第1の発光エミッタのうちの他方および2つの前記第2の発光エミッタのうちの他方から照射されたレーザが入射される光ファイバの、少なくとも2つの光ファイバを有する光ファイバアレイとを備え、
前記第2のヒートシンクは、前記第1のヒートシンクに対して、前記第1のヒートシン
クと前記第1の半導体レーザアレイとの前記ファーストアクシス方向の厚みの和よりも小さいピッチで前記ファーストアクシス方向に位置し、
前記第2のヒートシンクは、前記第1のヒートシンクの前記第1の方向の長さよりも大きいピッチで、レーザ照射方向とは反対側に位置している半導体レーザモジュール。 A first semiconductor laser array mounted on a first heat sink and having at least two first light emitting emitters that are irradiated with a laser in a first direction and aligned with each other in a slow axis direction perpendicular to the first direction; ,
A second semiconductor laser array mounted on a second heat sink and having at least two second light emitting emitters irradiated with a laser in the first direction and aligned with each other in the slow axis direction;
A first fast aximate lens arranged in a direction in which laser is emitted from the first semiconductor laser array and collimating a laser extending in a first axis direction perpendicular to the first direction and the slow axis direction; ,
A first slow axis lens that is arranged in a direction in which a laser beam is emitted from the first first axis lens and collimates a laser beam that spreads in the slow axis direction;
A second fast axis lens that is arranged in a direction in which a laser is emitted from the second semiconductor laser array and collimates a laser beam that spreads in the fast axis direction;
A second slow-accelerate lens arranged in a direction in which a laser is emitted from the second first-accuracy lens and collimating a laser spreading in the slow-axis direction;
A first axis condensing lens that is arranged in a direction in which a laser is emitted from the first slow axis trimming lens and the second slow axis trimming lens and condenses the laser in the first axis direction;
A slow-axis condensing lens that is positioned in a direction in which laser is emitted from the first-axis condensing lens and condenses the laser in the slow-axis direction;
Two said first one and two of said second one optical fiber LES chromatography The irradiated is incident from one of the radiation emitter of the radiation emitter, and, two of said first light emitter An optical fiber array having at least two optical fibers of an optical fiber to which a laser beam irradiated from the other one of them and the other of the two second light emitting emitters is incident ;
The second heat sink is positioned in the first axis direction at a pitch smaller than the sum of the thicknesses of the first heat sink and the first semiconductor laser array in the first axis direction with respect to the first heat sink. And
The semiconductor laser module, wherein the second heat sink is located at a pitch larger than the length of the first heat sink in the first direction and opposite to the laser irradiation direction.
前記第1のファーストアクシスコリメートレンズと前記第1のスローアクシスコリメートレンズとの距離は、前記第2のファーストアクシスコリメートレンズと前記第2のスローアクシスコリメートレンズとの距離と等しく、
前記第1の半導体レーザアレイと前記ファーストアクシス集光レンズとの距離は、前記第2の半導体レーザアレイと前記ファーストアクシス集光レンズとの距離よりも小さく、
少なくとも2つの前記第1の発光エミッタおよび少なくとも2つの前記第2の発光エミッタから照射された少なくとも4つのレーザは、ファーストアクシス方向及びスローアクシス方向において互いにほぼ平行に前記ファーストアクシス集光レンズに達する請求項1に記載の半導体レーザモジュール。 The distance between the first semiconductor laser array and the first first-accurate lens is equal to the distance between the second semiconductor laser array and the second first-accurate lens;
A distance between the first fast-accurate lens and the first slow-accurate lens is equal to a distance between the second first-accurate lens and the second slow-accurate lens;
The distance between the first semiconductor laser array and the first axis condenser lens is smaller than the distance between the second semiconductor laser array and the first axis condenser lens,
The at least four lasers emitted from at least two of the first light emitting emitters and at least two of the second light emitting emitters reach the fast axis condenser lens substantially parallel to each other in a fast axis direction and a slow axis direction. Item 2. The semiconductor laser module according to Item 1 .
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体レーザモジュールとを備え、
前記光ファイバカプラと前記光ファイバアレイとを融着接続したファイバレーザ。 An optical fiber coupler in which a signal optical fiber through which signal light propagates and a multimode fiber through which pumping light propagates are tightly bundled;
A semiconductor laser module according to any one of claims 1 to 3 ,
A fiber laser in which the optical fiber coupler and the optical fiber array are fusion-connected.
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